CC BY
67ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Том (А) 33
1991
№ 4
УДК 541.64:543.422.25:542.452.81
© 1991 г. Т. И. Усманов
ЯМР-СПЕКТРОСКОПИЯ ПРОИЗВОДНЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ В СВЯЗИ С ИХ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРОЙ
Обзор
Обобщаются итоги экспериментальных исследований по оценке ре-акционноспособности гидроксильных групп и строения продуктов в химических превращениях цепи полисахаридов с применением ЯМР-спек-троскопии высокого разрешения различных ее разновидностей (ЯМР на ядрах 'Н и ,3С в растворе и ЯМР 13С в твердой фазе). Особое внимание уделено вопросам получения количественной информации о распределении заместителей в элементарном звене, разработки методологических подходов к идентификации спектров ЯМР простых и сложных эфиров полисахаридов на основании модельных соединений, низкомолекулярных аналогов и блокировки свободных гидроксильных групп дейтериро-ванными реагентами. Высказываются некоторые соображения о перспективности оценки структурных изменений в процессе этерификации полисахаридов методом ЯМР 13С в твердой фазе.
Различия в реакционной способности (РС) гидроксильных групп в определенных положениях углеродных атомов пиранозного звена макромолекулы полисахаридов, а также различная доступность этих гидроксильных групп для атаки реагентом, определяемая их морфологической или иной структурой, приводит для производных полисахаридов, имеющих промежуточные степени замещения, к различному характеру распределения заместителей как в Р-глюкопиранозном звене, так и между звеньями вдоль цепи, а также композиционной неоднородности. В связи с этим композиционная статистика для продуктов полимераналогичных превращений в цепи полисахаридов при конверсии <100% включает следующие задачи: распределение заместителей внутри элементарного звена; анализ количества мономерного состава; распределение последовательностей звеньев вдоль цепи; композиционную неоднородность продуктов.
Экспериментальное и теоретическое исследование столь сложных параметров в их совокупности пока еще невозможно. В связи с этим получил распространение подход, основанный на изучении этих параметров по отдельности. Предметом рассмотрения данного обзора является освещение двух первых из названных выше проблем.
На протяжении многих лет для изучения распределения заместителей в производных полисахаридов использовали различные методы химической деструкции, окисления, реакций между функциональными группами различных звеньев и пиролиза в сочетании с анализом полученных продуктов «помощью методов масс-спектрометрии и газовой хроматографии [1—4]. Кроме того, для экспериментального определения относительного содержания различных фрагментов цепи использовали ИК- и УФ-спектроскопию.
Начиная с 70-х г. для решения поставленных задач все больше стали привлекать ЯМР-спектроскопию на ядрах 'Н, преимущества которой неизмеримо возросли с усовершенствованием аппаратуры. Но если применение спектрометров на сверхвысоких частотах приводило к значительному упрощению протонных спектров и вело соответственно к большей точности анализа, то для спектроскопии ЯМР 13С подобные преимущества ставили исследования на качественно новый уровень.
В последнее время большой интерес вызывает также использование для изучения структуры и динамики полимеров спектроскопии ЯМР 13С
ч
он;/0„ -о—
6' сн,он\
6 5 * J
Рис. 1. ПМР-спектры амилозы (а), декстрана (б) в ДМСО-с1б и целлюлозы (в) в гпСЬ: ДМСО-с1б [9]
высокого разрешения в твердой фазе, уровень и объем получаемой информации которой значительно возросли с разработкой техники вращения образца иод «магическим» углом с развязки дипольного взаимодействия с протонами.
ПМР-СПЕКТРОСКОПИЯ ПОЛИСАХАРИДОВ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ
В работах [5—9] были подробно проанализированы ПМР-спектры амилозы У-типа, декстрана и целлюлозы, отличающихся конфигурацией и типом связи (в амилозе а-1,4, преимущественная конформация 3В; в декстра-не а-1,6-связь, С1; в целлюлозе [}-1,4-связь, С1) и содержащих в мономерной структуре три протона гидроксильных групп и 7 протонов в различных положениях глюкопиранозного звена (рис. 1). Для всех указанных полисахаридов характерны три области сигналов: протонов гидроксильных групп (8=4,60—5,50 м. д.), протонов пиранозного кольца (6=3,2—4,0 м. д.) и протона С1 в наиболее низких полях. В области с хим. сдвигами 4,60— 5,50 м. д. для амилозы отмечено три сигнала, отнесенных к трем типам протонов гидроксильных групп, тогда как для декстрана и целлюлозы спектр носит несколько иной характер и в области гидроксильных групп наблюдается один уширенный синглет. Одной из возможных причин этого могут быть принципиальные различия в строении отмеченных полисахаридов, где вследствие близкого расположения трех гидроксильных групп в декстране и однотипности протонов сигналы накладываются друг на друга и дают один результирующий пик. Специфическим отличием целлюлозы является, как известно, значительное перераспределение
электронных плотностей между протонами гидроксильных групп в элементарном звене и между звеньями в цепи из-за наличия в них внутри и межмолекулярных водородных связей; как следствие, регистрация сигналов отдельных гидроксильных групп у атомов С2, С3, Св не представляется возможной и в спектре целлюлозы наблюдается общий пик, соответствующий усредненному окружению ядер. В области кольцевых протонов полисахаридов наблюдается сложная группа сигналов от семи протонов пира-нозного кольца.
Автор работы [10], подводя итоги исследований, посвященных применению ГШР-спектроскопии для изучения строения moho-, олиго- и полисахаридов, остановился на изучении конформации и конфигурации звеньев, основываясь на изменении хим. сдвигов в зависимости от аномерной конформации глюкозидной связи.
Другим путем пытался подойти к решению проблемы определения молекулярной структуры макромолекулы целлюлозы Джильберт [11]. Он изучил ПМР-спектры моно- и дисахаридов, полученных гидролизом целлюлозы, и добился определенных успехов в изучении низкомолекулярных моделей, получив спектры целлобиозы и целлотетраозы, идентичные спектру глюкозы.
Интерпретация спектров исходных полисахаридов позволяет перейти непосредственно к рассмотрению Г1МР-спектров их производных, получен ных в реакциях О-этерификации и алкилирования. Так, в работе [12] изу чали ксантогенирование ряда простых углеводов и целлюлозы с целью вы яснения некоторых вопросов РС отдельных гидроксильных групп и рас пределения тиокарбоновых групп в элементарном звене ксантогената целлюлозы на различных глубинах реакции. Авторами был сделан вывод, что замена ОН-групп на ксантогенатные вызывает смещение сигналов протонов ОН-групп, причем величина сдвига зависит от типа первичных и вторичных гидроксильных групп, вступающих в реакции замещения. Полученные данные позволили сделать заключение, что ксантогенирование целлюлозы протекает в первую очередь у шестого атома углерода, что подтверждает исследования авторов, проведенные химическими методами, В области изучения модельных систем опубликовано довольно большое число работ, посвященных ПМР-спектрам глюкопиранозидов и их замещенных производных, имеется также ряд обзоров [13, 14].
Одной из первых работ является исследование авторов работы [15], проводивших индивидуальное спектральное отнесение ацетатных групп у атомов С2, С3, С4, С„ в частично ацетилированных метил-О-глюкопиранози-дах путем предварительного дейтерирования свободных гидроксильных групп реакцией этерификации уксусным ангидридом-de и впервые получивших количественные данные о распределении ацетатных групп в ацетате метил-Д-глюкопиранозида со степенью замещения (СЗ) (т. е. числом замещенных ОН в одном элементарном звене), равной 1,0; 0,4 у С6; 0,2 у С4; 0,2 у С3; 0,2 у С2.
Попытка изучения распределения заместителей в промышленном диа-цетате целлюлозы впервые была предпринята авторами работ [ 16]. Полученные ими ПМР-спектры были плохо разрешены в области ацетатных групп (5='1,8—2,2 м. д.), где наблюдается уширенный синглет, присущий трем типам ацетатных групп, расположенных у атомов С2, С3 и Се. В области 6=2,9 м. д. наблюдался один широкий сигнал, который был отнесен к ОН-группам ацетилцеллюлозы, однако регистрация сигналов индивидуальных протонов ОН-групп оказалась невозможной из-за большой скорости обмена протонов гидроксильных групп.
При общем обзоре спектра в области 5,0—4,3 м. д. наблюдали сигналы, отнесенные к карбинольным протонам и различным примесям. Положительным результатом работы явилось определение интенсивностей сигналов ОН-групп и двух сигналов протонов СН-групп, расположенных у второго, третьего углеродных атомов. Вновь возвращаясь к проблемам специфического отнесения ацетатных групп, исследователи [17, 18] провели регистрацию спектров ацетатов олигосахаридов, полученных ацетолизом ацетатов целлюлозы. Авторам удалось рассчитать соотношение а- и р-форм
70 и 30% соответственно из площадей сигналов кольцевых протонов в области 6=3,6—5,4 м. д. Была предпринята также попытка нахождения сред-нечисленпой ММ из отношения площадей сигналов аномерных протонов при 6=6,24 и 5,36 м. д. к площади сигналов остальных протонов кольца, однако трудности при измерении небольших площадей сигналов концевых групп не позволили точно решить поставленную задачу.
В работах [19—21] проведено исследование ацетильных и бензоильных производных полисахаридов с целыо установления мономерной структуры. В полученных спектрах полностью замещенных продуктов разрешены сигналы всех семи протонов кольца (6=3,5—5,0 м. д.) и девяти протонов метильных групп, отнесенных к О-ацетильным группам при атомах С2, С3 и Св элементарного звена исследуемых соединений. Авторами, к сожалению, не уделено должного внимания анализу сигналов в области ацетатных групп.
Интересные экспериментальные данные были получены в работе [22], посвященной исследованию ацетата целлюлозы с С3=2,8 в широком диапазоне частот при различных температурах. При повышении температуры от 11 до 103° сигналы СН3СОО-групп при атомах С2 и С3 проявлялись в виде синглета, что свидетельствовало об эквивалентности протонов ацетильных групп, расположенных у второго и третьего углеродных атомов и привело авторов к выводу о конформационных переходах в молекуле ТАЦ от С1 (при низких температурах 11—24°) с затрудненными вращениями вокруг связей С2—О и С3—О к конформации «ванны» со свободным вращением вокруг этих связей, обусловленным большей подвижностью пиранозного кольца при повышенных температурах.
Наиболее близко к решению вопросов изучения РС ОН-групп в частично замещенных производных полисахаридов подошли в работе [23]. Используя метод, разработанный Хортоном [15] для ацетилированных ме-тилглюкопиранозидов, они смогли сигналы протонов ацетатных групп идентифицировать каждому индивидуальному положению углеродных атомов, исходя из различной РС ОН-групп в макромолекуле целлюлозы к различным реагентам и как следствие этого — различной интенсивности пиков в спектре ПМР. В ряде работ [24—26] были проанализированы спектры ацетатных и нитратных производных целлюлозы. Однако из-за сложного характера спектров и вследствие плохой разрешенности исследователям не удалось извлечь информацию по различным положениям углеродных атомов.
Несколько иной подход к исследованию распределения заместителей в частично замещенных ацетатах целлюлозы (ЧЗАЦ) разработали авторы работ [27, 28]. На рис. 2 представлен спектр высокого разрешения ЧЗАЦ. Как видно из спектра, извлечение информации из области протонов ОН-групп затруднено вследствие появления суммарного сигнала от трех ОН-групп. Получение же информации о расположении заместителей из спектра ПМР в области ацетатных групп также затруднено в результате того, что ЧЗАЦ может представлять собой сополимер целлюлозы — ацетата целлюлозы, в котором присутствуют восемь различных типов элементарных звеньев (схема), содержащих 12 неэквивалентных ацетатных групп, отличающихся друг от друга по магнитным характеристикам. Для получения
более разрешенного спектра в области групп СН8—С=0 с целью его количественной интерпретации авторы анализировали спектры ПМР в различных растворителях и установили, что хим. сдвиги для ацетатных групп в ЧЗАЦ нечувствительны к растворителям, и изменение составляет всего ±0,3 м. д., тогда как для ОН-групп изменение хим. сдвигов значительно.
Другим путем получения количественных данных о распределении звеньев в элементарном звене ацетата целлюлозы может быть использование ПМР-спектров олигомеров полисахаридов, содержащих в своей цепочке несколько мономерных единиц. Подобным объектом служил олигомер диа-цетата целлюлозы (ДАЦ), содержащий всего лишь ~15 частично ацетилированных ^-.О-глюкопиранозных звеньев, который не только полностью
5 3 ^А-
Рис. 2. ПМР-спектр ЧЗАЦ в растворе пиридина-сЬ [27]
воспроизводил ПМР-спектр своего длинноцепочного аналога, но в области
групп СН3=С=0 имел расщепление протонов ацетатных групп с 6-1,88; 1,92; 2,02 м. д., присущих трем группам. Однако получить информацию о количестве отдельных ацетатных групп из ПМР-спектра этого соединения все же сложно, так как нет достаточного разрешения двух сигналов ацетатных групп в области высоких полей. Следовательно, для интерпретации спектров ацетатов целлюлозы необходимо располагать объектами, содержащими меньшее число неэквивалентных ацетатных групп. Исходя из этого авторы работы [29] исследовали ПМР-спектр 2,3-ди-О-ацетата целлюлозы (2,3-ДАЦ), который содержит всего четыре типа элементарных звеньев.
В ПМР-спектре этого соединения наблюдаются четыре сигнала в области ацетатных групп, отнесенные к четырем типам неэквивалентных ацетатных групп. Путем интегрирования интенсивностей резонансных сигналов получена количественная информация о распределении ацетатных групп. Путем интегрирования интенсивностей резонансных сигналов получена количественная информация о распределении ацетатных групп в 2,3-ДАЦ, которая составила 75 (IV), 15 (III), 6 (VI) и 4% (I).
Другим объектом может служить триацетат целлюлозы (ТАЦ), а также его олигомер со степенью полимеризации (СП), равной 10, который полностью моделирует спектр своего длинноцепочного аналога. В области ацетатных групп этих соединений присутствуют три четких сигнала с 6= =1,89; 1,95; 2,04 м. д., которые были отнесены на основании анализа ПМР-спектра 2,3-ДАЦ к трем ацетатным группам при атомах С3, С2 и С« соответственно и позволили провести их количественную интерпретацию.
Таким образом, ПМР-спектры ТАЦ и его олигомера позволяют получить количественные данные о расположении заместителей, что объясняется тем, что ТАЦ по сравнению с ЧЗАЦ почти не имеет ОН-групп и его цепочка состоит из тризамещенных элементарных звеньев (98%), содержащих в себе в основном три неэквивалентные ацетатные группы. Поэтому для получения разрешенного спектра ПМР частично замещенного ацетата целлюлозы необходимо блокировать свободные ОН-группы таким образом, чтобы эти введенные группы создали такое же окружение, как и обычно
группы СН8=С0 , но не давали дополнительных сигналов в ПМР-спектре. В связи с этим авторы работ [15, 28] предлагали проводить реакцию эте-рификации в ЧЗАЦ свободных ОН-групп по двум направлениям согласно схеме
(СБ,С0)1О (I)
[СвН А(ООССН3)2>4(ОН)мк + [СвН7О2(ООССН3)2,4(ООССВ3)0,в]п
Однако необходимо отметить, что реакция этерификации под действием уксусного ангидрида-с1в по направлению реакции (I) проходит с большим
Схема
затруднением [28], при продолжительном ацилировании (т=100 ч) диа-цетата целлюлозы (С3-2,35; СП-280) удается заместить лишь ~50% свободных ОН-групп (рис. 3, кривая 2).
Ацилирование ЧЗАЦ по реакции (II) проходит гораздо легче, что подтверждается экспериментальными данными по кинетике реакции аци-лирования частично замещенного ацетата целлюлозы хлористым ацети-лом-сЦ (рис. 3, кривая 1).
На рис. 4, б представлен ПМР-снектр дейтерированного ДАЦ. Отнесение сигналов, принадлежащих ацетильным группам, расположенным у С2 и С3, сделано на основании работ [23, 28], а отнесение сигнала, принадлежащего ацетильной группе у С6, произведено с учетом работы [29]. Как видно, спектр дейтерированного ДАЦ содержит три пика, соответствующих трем ацетильным группам у атомов С2, С3 и С3 с хим. сдвигами 6=1,96; 1,88 и 2,06 соответственно. Описанный метод дейтерирования в дальнейшем был применен для определения количества ацетильных групп в ацетатах полисахаридов, полученных различными способами. Данные о распределении звеньев и степени замещения, полученные из ПМР-спектров, сведены в табл. 1, из которой видно, что исследуемые ДАЦ различаются между собой преимущественно расположением ацетильных групп у Св, тогда как содержание этих групп у атомов С2 и С3 меняется незначительно. Ацетаты, полученные прямым ацетилированнем хлопковой целлюлозы, содержат чуть больше ацетатных групп у Св по сравнению с омыленными ТАЦ, что является следствием повышенной РС ОН-групп у этого атома.
Описанный подход количественного анализа спектров ПМР авторами [28] был применен для исследования реакции прямого ацетилирования хлопковой целлюлозы. Путем анализа реакционной смеси в зависимости от глубины реакции было найдено, что РС ОН-групп на ранних стадиях конверсии (<20%) составляет Св: С2: С3=3 : 2:1, т. е. на РС ОН-групп у С3 влияют соседние ацетатные группы, образовавшиеся у С2 в результате индукционного эффекта [30].
Рис. 3. Кинетика реакции ацилиро-вания ДАЦ хлористым ацетилом-<1з (1) и уксусным ангидридом-(18 (2) [28]
Рис. 4. ПМР-спектры недейтериро-аанного (а) и де итерированного (б) ДАЦ в области ацетатных групп в хлористом метилене [27]
100 Время,ч
2,0 5,ИД.
Рис. 4
Развивая дальнейшие исследования в этом направлении авторы работы изучали сравнительные реакции ацетилирования амилозы, декстрана и микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) методом ПМР-спектроскопии [9]. Для количественного определения распределения ацетатных групп в ¿)-глюкопиранозном звене авторами был применен метод дейтерирования свободных ОН-групп в ЧЗАЦ, а для интерпретации спектров ПМР изучали модельные аналоги — 2,3-диацетат амилозы (2,3-ДАМ). Известно, что первичные ОН-группы в амилозе в реакции этерификации в кислой среде обладают значительно большей РС, чем вторичные [31]. Как видно из данных табл. 1, РС ОН-групп в реакции ацетилирования амилозы падает в ряду С6>С2>С,.
Повышенная РС первичных ОН-групп в элементарном звене амилозы по сравнению с аналогичными в целлюлозе может быть объяснена, по-видимому, тем, что эти группы в амилозе не участвуют в образовании внутримолекулярных водородных снязей, а также наличием в амилозе элементарных звеньев в конформации ВЗ, в которой ОН-группа у С2 и С3 занимает аксиальное положение, вследствие чего изменяется соотношение между первичными и вторичными группами в направлении увеличения количества проацетилированных гидроксильных групп. Наличие в декстране только вторичных ОН-групп, расположенных рядом, отражается на РС этих незамещенных групп со стороны уже образовавшихся заместителей, расположенных по соседству с ними, чему также благоприятствует конформа-ционноз состояние декстрана, при котором все ОН-группы элементарного звена макромолекулы декстрана у атомов С2, С3 и С4 расположены экваториально.
Данные о степени замещения и распределения ацетатных групп в ацетатах полисахаридов, найденные различными методами [75]
Образец * Общая степень замещения Количество замещенных ацетатных групп на одно элементарное звено, найденное методом ПМР
химический метод ИК-спект-роскопия ПМР-спектро-скопия С6 С. с2 с,
ТАЦ ТАЦ-олигэмер (СП =10) 2,87 2,80 2,90 2,88 2,88 2,83 1,0** 0,96 0,91 0,89 0,97 0,98 —
Образцы АЦ, полученные омылением ТАЦ в кислой среде ДАЦ ДАД ДАЦ НЗАЦ 2,36 2.39 2.40 0,56 2,44 2,46 2,32 0,52 2,40 2,38 2,38 0,48 0,87 0,80 0,75 0,15 0,72 0,76 0,79 0,18 0,81 0,83 0,84 0,15 _
АЦ, полученные прямым ацетилированием хлопковой целлюлозы в кислой среде ДАЦ НЗАЦ 2,45 0,58 2,35 0,61 2,50 0,59 0,93 0,29 0,71 0,10 0,86 0,19 -
Ацетаты амилозы 0,63 1,95 2,87 — 0,64 1,98 2,90 0,40 1,0 1,0 0,08 0,32 0,94 0,16 0,66 0,96
Ацетаты декстрана 0,53 1,30 1.67 2,71 2,93 - 0,60 1,31 1,68 2,70 2,95 - 0,17 0,31 0,68 0,94 0,98 0,35 0,76 0,76 1,0 1,0 0,08 0,24 0,24 0,76 0,97
* НЗАЦ — низкозамещенный ацетат целлюлозы.
** Полное отсутствие свободных гпдроксильных групп у атома Се подтверждено реакцией тритилирования [28].
На основании экспериментальных данных авторы предполагают, что в реакции ацетилирования декстрана введенные ацетатные группы во второе положение препятствует ацетилированию гидроксильной группы у третьего углеродного атома. Найденное из ПМР-спектров соотношение С2: С3: : С4=4 : 2: 1 может быть принято за меру РС гидроксильных групп в начальной стадии реакции.
В работе [32], посвященной исследованию триметилцеллюлозы, проведена интерпретация резонансных пиков в области 6=3—3,8 м. д., отнесенных к индивидуальному положению протонов ОСН3-групп, расположенных у атомов С2, С3 и Се.
Надежный экспериментальный подход блокировки свободных ОН-групп [9] с С03-группами был применен для интерпретации спектров и анализа распределения звеньев в метиламилозе, синтезированной путем взаимодействия с диметилсульфатом согласно реакции
[с6н А(0Н)3]п ^ [свн А(0-^)3]п
СБ I
[СвН АСОСНзЫО^)^ —^ [С6Н702(0СН3)ж(0С0з)!/]п
С целью идентификации ОСН3-групп при трех различных положениях углеродных атомов ангидроглюкозного звена метиламилозы синтезировались модельные соединения с метоксильными группами в строго фиксированном положении: 6-дейтерий-метил-2,3-ди-метиламилоза, 2-дейтерий-метил-3,6-ди-метиламилозы. Идентификация трех метоксильных групп в модельных соединениях позволила авторам провести отнесение сигналов
в частично метилированной амилозе и количественно интерпретировать их, причем отношение РС ОН-групп элементарного звена макромолекулы амилозы в реакции метилирования в щелочной среде составляет Се: С2: : С3=7 : 5 : 1. Интересно отметить, что в амилозе в отличие от целлюлозы в реакции алкилирования первичная ОН-группа обладает все же большей РС, а соответствующая РС ОН-групп при С3 даже ниже, чем в целлюлозе. Очевидно, что в макромолекуле-амилозы наряду с внутримолекулярными взаимодействиями не менее важное влияние может оказывать конформа-ционное состояние, при котором образование водородных мостиков между ОН-группой у Св и кислородным атомом соседнего ангидроглюкозного остатка стерически затруднено, в итоге чего соответствующая РС ОН-групп у Се в реакции метилирования незначительна, но более высока, чем у атома С2.
Перечисленные выше работы сделали возможным на сегодняшний день применение ПМР-спектроскопии для количественного определения замещенных групп в ангидроглюкозном звене широкого круга эфиров полисахаридов с различными степенями замещения. Так, в работе [33] проведено сравнительное исследование распределения О-ацетильных групп в ацетатах целлюлозы двумя независимыми методами ПМР-спектральным анализом и газовой хроматографией.
В работе [34] изучали образцы ацетатов целлюлозы (С3=1,91—0,84), синтезированные ацетилированием целлюлозы уксусным ангидридом в среде 10% LiCl/ДММА. К сожалению, авторы не смогли оценить содержание О-ацетильных групп в образцах с низким значением степени замещения, что обусловливалось появлением дополнительного сигнала, приписываемого содержанию избытка несвязанной СН3СООН.
Из работ последних лет по эфирам полисахаридов можно отметить публикацию [35], в которой сделана попытка определить распределение заместителей в элементарном звене карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и продуктов ее гидролиза, однако из-за сложности спектров извлечение полезной информации оказалось невозможным. В работах [36, 37] изучали гидроксипропиловые эфиры целлюлозы и также отмечалось, что ввиду малоинформативности спектров получение количественной информации о распределении замещающих групп затруднено, в связи с этим исследователи смогли лишь судить об общей степени гидроксипропильного замещения. Это обстоятельство было использовано далее этими же исследователями для рекомендации описанного метода оценки общей СЗ при получении экспресс-информации из ПМР-спектров ряда промышленных образцов карбоксиметил-, оксиэтил- и других эфиров целлюлозы.
ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАМЕСТИТЕЛЕЙ И МОНОМЕРНОГО СОСТАВА ПРОСТЫХ И СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ ПОЛИСАХАРИДОВ МЕТОДОМ ЯМР 13С В РАСТВОРЕ
Метод ЯМР 13С-спектроскопии высокого разрешения, касающийся кон-формации и конфигурации моно- и олигополисахаридов, впервые был использован в работах [38—46]. Исчерпывающие информации о применении ЯМР 13С для исследования различных аспектов углеводов и их производных отражены в работах [47—49].
Основополагающим исследованием можно считать работы с использованием метода ЯМР 13С-спектроскопии [50, 51], в которых сделано отнесение хим. сдвигов атомов углерода моносахаридов в растворе D20. Найдено, что для а-Д-глюкозы сдвиг сигнала 13С в область от б ='92,6 к 96,4 м. д. означает переход в p-форму. Авторы работ [52, 53] применили в своих исследованиях метод ЯМР ,3С для изучения структуры широкого круга олигосахаридов а- и В-аномерпых форм целлобиозы, лактозы, мальтозы, а также их метильных производных.
Обнаружена зависимость смещения хим. сдвигов от влияния стери-ческих и пространственных факторов. Так, для а- и ¡3-форм оно проявляется лишь для атомов Ci и С/ и составляет 4 м. д. С целью полной интерпретации спектров ЯМР 13С ацетилированных а- и р-дисахаридов
проводятся сравнительные данные с модельными соединениями — простыми ацетатами низших спиртов. Авторы, конечно, понимают некоторую условность экстраполяции полученных результатов к ацетилированным углеводам. Исследованию влияния процессов О-алкилирования на спектры ЯМР 13С метилальдофуранозидов посвящена работа [54]. Установлено, что алкилирование ОН-групп пиранозного кольца ведет к смещению сигналов ядер 13С непосредственно связанных с ними углеродных атомов Ci в низкие поля на 5—11 м. д.; при этом сигналы остальных углеродных атомов в большинстве случаев смещаются в область высоких полей на величину 2—4 м. д. Показан), что производные фуранозидов могут быть использованы в качестве моделей при интерпретации спектров фуранозид-ных олиго- и полисахаридов.
В дальнейшем эти же авторы [55] проводили исследования на аль-дозах и производных метилглюкозидов. Найдено, что для пираноз, имеющих одинаковую гидроксильную конфигурацию, замена заместителя СН2ОН на СН3, СООН, СООМе или H сопровождается смещением сигналов от ядер С4, С5 и Cs. Работы [56, 57] посвящены конфэрмационному и конфигурационному анализу ненасыщенных моносахаридов и их метальных производных, с целью отнесения сигналов углеродов пиранозного кольца и ОСН3-групп интерпретация резонансных пиков С2, С3 и С5 сделана на основании работ [52, 53] и с учетом работ [50, 51]. Ряд исследователей [58] изучали строение метил-р-целлобиозы, для чего подвергали ее реакции дейтерирования в специфические положения С-2, С-3, С-3', С-4, С-6 и С-6' в присутствии никелевого катализатора Raney, что позволило получить упрощенный спектр и определить ориентацию глюкозидной связи.
Следует отметить, что в обсуждаемых выше работах для интерпретации сигналов в спектрах moho-, олиго- и полисахаридов используют два подхода: специфическое замещение ОН-групп, которое индуцирует хим. сдвиг в область низких полей прямо связанных углеродов [52, 53], либо селективное отнесение каждого положения путем дейтерообмена [56]. Последний был применен также в работах [59, 60] при изучении регулярности строения гомо- и полиглюканов, а в работе [61, 62] для простых пирано-зидных и фуранозидных Сахаров при исследовании зависимости хим. сдвига р- и "(-расположенных углеродных атомов.
Безусловно заслуживают внимания работы, проводимые Усовым и его школой [63] по применению ЯМР 13С как для исследования строения полисахаридов, так и для установления структуры различных углеводов. В работе [64] обобщаются результаты первоначальных исследований строения полисахаридов.
В работе [65] приводятся результаты исследований ряда целло- и ксилоолигосахаридов: целлобиозы, целлотриозы, целлотетраозы, целло-пентаозы и целлюлозы с низкой СП. Анализ их спектров показал, что несмотря на присутствие в олигосахаридах четырех потенциально неэкви-вивалентных типов С-атомов по сравнению с двумя, характеризующими дисахариды, их спектры имеют много общего.
В работе [66] проанализированы спектры изомальто-олигосахаридов и некоторых полисахаридов. В обеих сериях олиго- и полисахаридов ре-зонансы центральных глюкозных звеньев независимы от длины цепи, за исключением углеродных атомов С( и С4 в амилозе, которые проявляют отклонение 0,4 и 0,5 м.д. Полученные результаты в дальнейшем были применены для оценки конформации цепи изученных полисахаридов.
Использованию D-глюкозы в качестве модельного соединения для интерпретации спектра ЯМР 13С целлюлозы (СП=35), растворенной в системе ДМСО-с1вШ-метил-]М-морфолин-оксид — параформальдегид, посвящена работа [67]. В работе [68] исследовали спектр ЯМР 13С олигомера целлюлозы с СП=10, интерпретация которого была проведена на основании спектра целлогексаозы [ 69], а отнесение сигналов ядер Í3C пиранозного кольца было сделано с использованием селективного гетероядер-ного спинового подавления для С2. Полученный спектр показывает, что
олигомер целлюлозы является вполне удовлетворительной моделью природного полимера целлюлозы и дает достаточно четкое разрешение сигналов повторяющегося пиранозного звена в спектре ЯМР.
Первыми работами по применению ЯМР 13С-спектроскопии для ацетатов моно, ди-, олиго- и полисахаридов, связанных посредством глю-козидных связей а, {1-1,3; a, {1-1,4; а, ¡1-1,6, a также а, {1-1,1, явились исследования, проведенные в работе [70]. Проведено полное отнесение сигналов ядер углерода кольца в спектрах всех перечисленных выше ацетатов, показана возможность применения дисахаридов в качестве моделей. Авторы, к сожалению, не смогли получить разрешение сигналов ядер углерода карбонильных и метильных групп, что позволило бы оценить распределение ацетатных групп у различных углеродных атомов. Заслуживает внимания работа [71], в которой, продолжая упомянутые выше исследования, авторы провели отнесение сигналов в спектрах полностью ацетилированных соединений а-£)-глюкозы, а-целлобиозы, а-три-озы, а-тетраозы, а-пентаозы. При интерпретации принимали допущение, что сигналы атомов С концевых звеньев имеют такие же хим. сдвиги, как •сигналы соответствующих атомов в октаацетате а-целлобиозы. В изучаемых соединениях наблюдали сигналы ядер углерода от одного до пяти элементарных звеньев, тогда как для триацетата целлюлозы характерны сигналы от одного элементарного звена макромолекулы. Лишь начиная ■с ацетата а-целлотетраозы в спектре ЯМР 13С начинают проявляться сигналы, характерные для ТАЦ. Очевидно, для моделирования спектра ТАЦ необходимо располагать ацетатами олигосахаридов, содержащих в себе не менее 8—10 элементарных звеньев.
Наиболее перспективным путем исследования распределения заместителей в производных полисахаридов с целью интерпретации спектров является, безусловно, синтез модельных соединений, специфически замещенных в определенные положения, и анализ их спектров. В связи с этим определенный интерес представляет работа [72], в которой с помощью ЯМР 13С и двух способов замещения ОН на метильную группу определено положение О-ацетильных групп при атомах С2 и Св-ксило-пиранозных звеньев в частично ацетилированном 4-0-метил-0-глюкоро-но-Д-ксилане. Однако исследователи не смогли использовать спектральный анализ для количественной оценки соотношения 2-0 и З-О-ацетил-D-ксилозных звеньев.
Разработка различных подходов к изучению структуры производных moho-, олиго- и дисахаридов позволила перейти к исследованию спектров ЯМР 13С частично замещенных эфиров полисахаридов. В цитируемой работе [24] исследовали спектр ТАЦ, в котором проведена интерпретация сигналов ядер 13С пиранозного цикла. Однако получение какой-либо информации о положении заместителей затруднено, так как разрешение сигналов ядер 13С метильных и карбонильных углеродных атомов не наблюдали. Более успешное исследование ацетатов целлюлозы методом ЯМР 13С и 'Н проведено в работе [26], где было получено вполне удовлетворительное совпадение результатов по распределению заместителей в элементарном звене различными способами. Найдено, что РС ацетильных групп в процессе омыления уменьшается в ряду С2>С8>С3. Подробному исследованию методом ЯМР 13С спектроскопии широкого аспекта ацетатов целлюлозы с различными степенями замещения, полученных в разных условиях, посвящены работы [27, 28, 73]. С целью интерпретации спектров предварительно исследовали модельные соединения ацетатов целлюлозы — пентаацетат а-.0-глюкозы и октаацетат а-целлобиозы.
Как известно, ТАЦ — стереорегулярный полимер, в котором {l-D-глю-козные остатки с тремя ацетатными группами у атомов С2, С3 и Се, соединены {1-1,4 глюкозидными связями; он содержит 12 неэквивалентных ядер углерода, в действительности же присутствуют 11 резонансных линий в области 169—19 м.д. В области 20—19 м.д. наблюдается два сигнала от трех метильных групп: один сигнал при 19,6 м.д. не расщеплен и имеет в 2 раза большую интенсивность, чем остальные 10 сигналов. Отнесение сигналов ядер 13С в спектрах ТАЦ и его олигомера сделано на
-1-{ ,-1-'-1-е (-1-Г-
ПО 100 БО 20 Л, м.д.
Рис. 5. Спектр ЯМР 13С ДАЦ, полученного омылением ТАЦ в ацетоне-си
[73]
основании исследования спектров ЯМР 13С низкомолекулярных соединений и 2,3-ДАЦ. Спектр олигомера ТАЦ полностью моделирует спектр своего длинноцепочного аналога; для углеродных атомов карбонильных групп характерно четкое проявление трех сигналов С=0-групп, в то же время не наблюдается разрешение сигналов от трех различных метильных групп в области высоких полей вследствие квазиэквивалентности ядер ,3С, что приводит к появлению суммарного синглета.
Авторами упомянутой выше работы был изучен спектр ДАЦ (рис. 5), который имеет сложный характер, так как в результате неполного замещения ОН-групп характеризуется не только 12 неэквивалентными атомами углерода, как ТАЦ, но содержит в себе еще три углеродных атома в положении 2*, 3* и 6*, связанные с незамещенными ОН-группами. В области карбонильных групп, как и в спектре ТАЦ присутствуют три сигнала от ядер 13С карбонильных групп. Что касается сигналов от атома Св, то здесь наблюдается расщепление на два сигнала, связанных с незамещенными ОН-группами *С6 (6=62,2 м.д.) и несущего ацетатные группы С6 (6=62,4 м.д.), отнесение которых было сделано на основании анализа спектра ЯМР 13С ТАЦ. Сигналы же углеродных атомов, находящихся в положении 2 и 3 и 2* и 3*, не наблюдаются в виде отдельных сигналов, а проявляются зачастую группой сигналов при 6=75,8— 72,2 м. д., характеризующих также положение атомов С2, С3 и С5, а сигнал при 76,8 м.д. был отнесен к С4. С целью улучшения разрешенности сигналов 13С пиранозного цикла ДАЦ авторами был исследован спектр ЯМР 13С олигомера ДАЦ с СП=15. В области сигналов ядер 13С групп С=0 присутствуют три четких сигнала, отнесенные к атомам С2, С3 и С6; комбинация отношений интегрированных площадей сигналов групп С=0 в спектрах ЯМР 13С, где предполагается, что времена релаксации ядер 13С различаются незначительно [74], при трех различных положениях позволяет определить количество заместителей в элементарном звене олигомера ДАЦ.
Данные о распределении заместителей в частично замещенных ацетатах полисахаридов, полученных различными способами, приведены в табл. 2. Как видно, распределение ацетатных групп в 1)-глюкопираноз-ном звене ацетатов полисахаридов может быть успешно рассчитано методом спектроскопии ЯМР 13С. Результаты, полученные этим методом
Количественный структурный анализ степени замещения и распределения ацетатных групп в ацетатах полисахаридов, найденные из спектров ЯМР 13С в растворе [73]
Образец Общая степень замещения Количество замещенных ацетатных групп на одно элементное звгно
химический метод ЯМР '-С С, са с2 с.
Промышленные образцы, полученные омылением ТАЦ в кислой среде ДАЦ ДАЦ ДАЦ НЗАЦ 2,34 2,40 2,36 0,50 2,35 2,42 2,38 0,53 0,85 0,82 0,75 0,16 0,71 0,78 0,80 0,20 0,79 0,82 0,83 0,17 —
Продукты, полученные прямым ацсти-лированием хлопковой целлюлозы в кислой среде ДАЦ НЗАЦ 2,38 0,55 2,37 0,56 0.95 0,28 0,70 0,10 0,72 0,18 -
Ацетат амилозы 0,63 1,95 2,87 0,65 1,98 2,97 0,40 0,98 1,00 0,09 0,33 0,98 0,15 0,67 0,99 -
Ацетат декстрана 0,53 1,30 1,67 2,71 2,93 0,59 1,26 1,64 2,68 2,97 - 0,15 0,35 0,67 0,91 0,99 0,32 0,71 0,73 1,00 1,00 0,12 0,20 0,24 0,77 0,98
Ацетат целлюлозы, полученной прямым ацетилированием МКЦ 0,56 1,12 2,09 0,56 1,10 2,01 0,28 0,44 0,81 0,10 0,30 0,56 0,18 0,36 0,64 —
хорошо коррелируют с данными ПМР-спектроскопии [75]. В работе [9] проводится сравнительное исследование ацетатов амилозы, декстрана и МКЦ методом ЯМР 13С. Качественный анализ спектров ацетатов амилозы показал, что они идентичны спектрам ЧЗАЦ и состоят из трех областей, однако в спектрах ацетатов амилозы все сигналы ядер 13С сдвинуты в область высоких полей на величину ~5 м.д.; кроме этого в области сигналов пиранозного цикла они имеют большую четкость и проявляются в виде отдельных сигналов ядер ,3С, присущих С2, С3, С4 и С5 атомам. С учетом этого обстоятельства авторы этой работы предлагали иной подход для характеристики распределения О-ацетильных групп в ангидро-глюкозном звене по сигналам кольцевых атомов С.
Как видно из рис. 6, спектры имеют довольно сложную мультиплет-ную структуру. Сигналы, соответствующие углеродным атомам, С1, С4, С5, Св, отнесены на основании хим. сдвигов соответствующих углеродов в олигосахаридах [71, 76], целлюлозе [65, 68] и ТАЦ [70]. Очевидно, что интенсивность сигнала *Св (6=63,7 м.д.) уменьшается по мере увеличения Св (6=65,7 м.д.). В ТАЦ и амилозы положению сигнала С6 соответствует полностью замещенная гидроксильная группа у атома Св.
Таким образом, пики С6 и "С6 могут быть отнесены к Св углеродным атомам замещенных и незамещенных глюкозных остатков в положении ■Се. Известно, что этерификация ОН-групп в олигосахаридах приводит к смещению хим. сдвига в область низких полей резонанса углерода этери-фицированной ОН-группы по сравнению с соответствующим сигналом незамещенных ОН-групп [71]. Атомы углерода С1 и С4 ангидроглюкозного звена не имеют ОН-групп. Тем не менее ацетилирование ОН-групп амилозы приводит к хим. сдвигу резонансов ядер углерода С1 и С4, в область высоких полей. Интенсивности С, (6=96,5 м.д.) и С4 (6=74,6 м.д.) увеличиваются с увеличением общей степени замещения, тогда как интенсивности *С1 (100,8 м.д.) и *С4 (6=79,8 м.д.) уменьшаются.
а.
А
6
/
по
_!-( ,-1-1-
100 80 70
ВО
20 6,м.д.
Рис. 6. Спектр ЯМР 18С ацетатов амилозы со степенями замещения =2,45 (а) и 2,93 (б) в пиридине-<15 [9]
Ранее в работах [77—79] было высказано предположение, что ацети-лирование ОН-групп в углеродах приводит к смещению хим. сдвига сигнала ^-углеродного атома в область высоких полей (проявление так называемого ^-эффекта, тогда как смещение хим. сдвига у-углеродного атома незначительно (—0,3 м.д.). Кроме этого, отношение уменьшения и возрастания площадей пиков *С|, С1 и *С4, С4 аналогично тому, что наблюдается для *Св и С6. На основании этого пика Х1 и С1 были отнесены к ано-мерным углеродам в незамещенных и замещенных глюкозных остатках при положении С2 соответственно. Подобно этому сигналы *С4 и С4 были отнесены к углеродному атому С4 в незамещенных и замещенных при Са глюкозных остатках. Следовательно, отношения интенсивностей пиков "С,/^, *С4/С4, *С6/Се могут быть взяты для оценки степени замещения при трех положениях ОН-групп у С2, С3 и С6 атомов ангидроглюкозного звена. Сравнение полученных данных с результатами определения степени замещения по положениям С2, С3, С6 из области карбонильных групп по спектрам ЯМР ,3С и методом ПМР по трем сигналам О-ацетильных ме-тильных протонов показано в табл. 3, где наблюдается вполне удовлетворительное согласие результатов трех данных методов.
В работе [33] также предложено для характеристики распределения О-ацетильных групп в ацетатах целлюлозы по трем различным положениям ангидроглюкозного звена использовать сигналы в области спектра от 63—58, 80—70 и 103—98 м.д., отнесенных к Св, С2_5 и С4 аналогично описанному выше подходу. В работах [80—82] дана характеристика эфиров целлюлозы (метил-, карбоксиметил, оксиэтил) методом ЯМР 13С. Вследствие большой ММ исследуемых соединений сигналы в полученных спектрах были уширены, эта проблема была решена исследователями путем частичной деполимеризации эфиров как химическим, так и энзиматиче-ским путем расщепления а-целлюлозой. Однако авторам не удалось получить количественную информацию о распределении заместителей в глюкопиранозном звене. Хорошо разрешенный детализированный спектр
Сравнительные данные о распределении ацетатных групп, полученные методом ЯМР ,3С в ацетатах амилозы из области ядер ,3С групп С=0 и пиранозного кольца [9]
Общая степень замещения Метод определения Количество замещенных ацетатных групп на одно элементарное звено
химический метод * ямр »с •н С. Сз с2
0,63 0,65 0,64 13С (С=0) 0,41 0,09 0,15
13С (пиранозные коль- 0,37 0,12 0,11
ца)
'Н 0,40 0,08 0,16
1,95 1,98 1,98 ,3С (С=0) 0,98 0,33 0,67
13С (пиранозные коль- 0,93 0,37 0,62
ца)
'Н 1,00 0,32 0,66
2,87 2,97 2,90 13С (С=0) 1,00 0,98 0,99
13С (пиранозные коль- 0,93 0,94 0,96
ца)
'Н 1,00 0,94 0,96
* Степень замещения, найденная по процентному содержанию связанной уксусной кислоты.
был получен для полных гидролизатов карбоксиметилсодержащих полимеров.
Необходимо отметить, что в результате деструкции возможен отрыв части О-алкильных групп от глюкозного звена, поэтому соответствующие количества различно замещенных в незамещенных звеньев могут не совпадать полностью. Более успешное исследование, посвященное структурному анализу оксиэтилцеллюлозы (ОЭЦ) со средней СЗ, отвечающей 2,5 молям окиси этилена на один цикл ангидроглюкозы, проведено в работе [83].
До последнего времени из-за сложности процесса протекания реакции оксиэтилирования в целлюлозе определение РС и СЗ проводилось методами, которые являлись в лучшем случае весьма приближенными, тогда как применение спектроскопии ЯМР 13С позволило быстро и точно определить общую степень замещения, среднее число повторяющихся звеньев цепи, суммарное количество незамещенных «кольцевых» первичных гид-роксильных групп в ¡3-£)-глюкопиранозных звеньях. Авторам удалось провести интерпретацию всех углеродных атомов, присущих ОЭЦ на основании изучения спектров ЯМР 13С модельных соединений а-, р-целлобио-зы, мальтозы и ПЭО (Мо=200).
На основании хим. сдвигов углеродного атома СН3-групп О-2-оксипро-пильные заместители легко отличаются от внутренних оксипропильных звеньев в цепи. Установление различий между мономерными оксипропиль-ными звеньями и цепями, расположенными при О-2-глюкозных остатках, осуществлялось трансформацией соответствующим образом замещенных Сахаров в гидролизате в 1,2-циклические ацетали, включающие 2-О-груп-пу (2-оксипропильную) [37], а в работе [84] приведены данные по исследованию строения цепи образцов О-(2-оксипропил)целлюлозы с величиной мольного замещения в диапазоне 0,38—4,10. На основании расщепления пика, соответствующего углероду метильной группы, исследователи показали, что пик в слабом поле принадлежит концевым оксипропильным группам, а пик в сильном поле — пропиленоксидным звеньям в середине цепи. Из соотношения интенсивностей этих двух пиков и величин мольного замещения может быть рассчитана СЗ. Из соотношения же интенсивностей интегрированных сигналов 13С атомов С2, С3 и Св показано, что относительная РС ОН-групп в реакции оксипропилирования равна Св: : Сг: С3=1,0 : 0,9 : 0,4. Авторы работы [35, 81, 82] изучали спектр ЯМР
"С КМЦ (С3=0,55). Интерпретация сигналов ядер i3C пиранозного кольца и карбоксильных групп была сделана на основании ПМР-спектров гидролизатов — равновесной смеси а- и [}-/)-глюкозы, 2,3-, 6-карбоксиме-тильных производных.
В работе [9] были изучены низкозамещенные КМЦ в диапазоне степеней замещения от 0,18 до 0,85. Мультиплетная структура спектра при всей своей сложности все же позволяет выделить отдельные составляющие контуры, соответствующие сигналам ядер |0С в положении С2, Cs и Св| а результаты количественного расчета показывают, что относительная PC ОН-групп целлюлозы в реакции карбоксиметилирования падает в ряду С2>Св>С3. При сравнении спектров КМЦ со спектром его модельного аналога — карбоксиметиламилозы авторы обнаружили спектры, в основном схожие, различия их проявляются лишь в смещении хим. сдвигов для атома Ct и С4. Количественный анализ, проведенный для карбоксиметиламилозы методом Я MP 13С, показал, что PC ОН-групп в реакции карбоксиметилирования в щелочной среде падает в ряду Св>С2>С3, т. е. ОН-группа при атоме Се обладает все же повышенной PC, что обусловлено, как уже отмечалось выше, меньшей интенсивностью межмолекулярного взаимодействия у атома С6 в амилозе по сравнению с целлюлозой.
Дальнейшим этапом исследований явилось определение мономерного состава в производных полисахаридов. Ряд исследований [85—91], посвященных изучению нитропроизводных целлюлозы методом ЯМР 13С в растворе, показали возможность получения надежных данных по мономерному составу в макромолекуле нитратов полисахаридов.
В работе [85] исследовали спектры нитратов целлюлозы различных СЗ и их низкомолекулярных аналогов — октанитратов а- и [З-целлобиозы, нитратов хитозана и декстрана. В спектрах ЯМР 13С исследуемых соединений проведено полное отнесение сигналов к резонансу конкретных ядер углерода с привлечением спектров моно-, ди- и полисахаридов, снятых без подавления протонов в режиме gate decoupling, из которых определяли мультиплетность линий, измеряли константы спин-спинового взаимодействия. Особое внимание в работе уделено изучению влияния числа и положения 0N02-rpynn на величину хим. сдвига ядер С(.
В работе [25] методом ЯМР 13С исследовали НЦ с С3=0,4—3,0. Изучена глубина реакции нитрования, проведено полное отнесение ядер углерода в зависимости от расположения нитратных групп в ¡3-£>-глюкопира-нозном звене, что позволило определить степень замещения НЦ и PC ОН-групп целлюлозы в реакции нитрования, которая, как оказалось, падает в ряду Св>С2>С3. Впервые в упомянутой работе установлена связь между степенью замещения и мономерным составом макромолекулы НЦ на основе модели равновесной гомогенной нитрации. При этом показано, что мономерный состав макромолекул НЦ, установленный по данным ЯМР 13С-спектроскопии можно представить как результат нитрации при равнодоступности для нитрующей смеси всех звеньев макроцепи. Исследователи [86, 87], развивая работу [25], изучили ЯМР-спектры НЦ, получив, хорошо разрешенный спектр, что позволило определить количества моно> ди- и тризамещенных нитрозвеньев в образце, которые равны соответственно 16, 37 и 47%. В работе [88] исследовали НЦ с СЗ от 1,2 до 2,8. Отмечалось, что в спектре образца С3=1,4 в области высоких полей наблюдаются два сигнала, различных по интенсивности. Первый отнесен к С« для случая незамещенных целлюлоз, второй (интенсивный, широкий) — к резонансу ядер С5 и "Св замещенных. Анализ ЯМР-спектров показывает, что в макромолекулах НЦ одного и того же образца одновременно присутствуют моно-, ди- и тринитрованные звенья, однако количественной информации получено все же не было.
Авторы работы [89] определили количество мономерного состава нитратов амилозы (НА) в широком диапазоне СЗ с применением спектроскопии ЯМР <3С. По имеющимся в литературе данным НЦ [85] выявлено различие в хим. сдвигах ядер Ct и С4 (~2 м.д.), для НА сигналы этих ядер сдвинуты в область более высоких полей, что по-видимому, обусловлено конфигурационными особенностями элементарных звеньев, а отли-;
чие же хим. сдвигов для ядер С3, объясняется различными конформацион-ными состояниями НЦ и НА. Спектры частично замещенных нитратов амилозы (ЧЗНА) [89] имеют более сложный характер, чем три НА, что свидетельствует о наличии в макромолекуле не полностью пронитрован-ных элементарных звеньев с различным характером замещения гидрок-сильных групп. В результате этого в ЧЗНА в принципе возможно наличие восьми типов элементарных звеньев (схема).
Однако из-за превышающей РС групп ОН у атома С6 в реакции нитрования полисахаридов практически не наблюдается образования элементарных звеньев типа N¡ и N, н соответственно N2,3 [84, 85]. Таким образом, пять элементарных звеньев в ЧЗНА за счет сигналов ядер С4 и С5, а также расщепления С„ С2, С3 и С6, несущих moho-, ди-, тринитрованные и незамещенные а-/)-глюкозные остатки в спектре ЯМР ,3С дают 12 резонансных сигналов, которые были интерпретированы на основании изуче^ ния спектра ЯМР 13С синтезированного 3,6-динитрата амилозы, где группы 0N02 расположены исключительно у атомов С3 и Св [87]. Соответствующие значения распределения нитратных групп в каждом положении при атомах С2, С3, Св, следовательно, могут быть рассчитаны из следующих уравнений:
C33=N3,e+N2>s,e C3e=N6+N2,e+N3,e+N2,3,6
Общая степень замещения
сз=сз2+сз3+сз6
Анализ спектров ЯМР ,3С по распределению нитроэфирных групп у атомов С2, С3 и С6 в реакции нитрования амилозы показывает, что наибольшей РС обладает ОН-группа у атома Са (при конверсии более 50% не наблюдалось присутствия свободных ОН-групп у атома С6), что приводит к исчезновению сигнала в области высоких полей, присущего сигналам ядер 13С незамещенных групп ОН, затем у атомов С3 и С2 соответственно, т. е. С6>С3>С2.
Для установления связи между степенью замещения НЦ и мономерным составом макромолекул авторы работ [90, 91] предлагают феноменологическую модель гетерогенной нитрации путем заданной относительной РС ОН-групп при атомах углерода С2, С3 и С6 элементарного звена. При этом рассматривают некоторые возможные ситуации протекания процесса. Для проверки адекватности модели эксперименту были созданы программы нахождения оценок ее параметров, т. е. относительных величин К2/К3г Кв/К3 — в случае равновесной нитрации и S2/S3 — в случае необратимой. Расчеты показали, что модель в целом правильно предсказывает зависимость мономерного состава макромолекул от СЗ для исследованных НЦ, полученных из различного сырья нитрацией в разных кислотных смесях.
ОЦЕНКА СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В ПОЛИСАХАРИДАХ В РЕАКЦИЯХ ЭТЕРИФИКАЦИИ МЕТОДОМ ЯМР <ч: В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ
В связи с тем что целлюлоза и ее производные трудно образуют истинные растворы и круг растворителей ограничен, данный метод ЯМР 13С не-разрушающего тонкого структурного анализа в твердой фазе приобретает особую актуальность. Ввиду специфических экспериментальных трудностей [92—105] первые работы по изучению спектров ЯМР ,3С высокого разрешения в твердой фазе целлюлозы появились лишь в последнее время. Так, авторы работы [106], занимаясь изучением различных полиморфных модификаций целлюлозы с помощью комбинации методов дипольной развязки 13С-{'Н} при вращении образца под магическим углом и кросс-поляризации провели полную интерпретацию наиболее важных резонансных сигналов в спектрах высококристаллических форм целлюлозы I и II, а также полностью аморфной целлюлозы, полученной регенерацией в безводной среде из смеси ДМСО — параформальдегид: характерными для высококристаллических модификаций целлюлозы являются полосы, соот-
ветствующие углеродным атомам С( и С4, образующим глюкозидные связи между ангидро-/)-глюкозными звеньями. Отнесение группы сигналов в области 75—71 м.д. к углеродным атомам С2, Cs п С5, а также менее интенсивного сигнала С6 (6=65,4 м.д.) было проведено на основании сравнения со спектрами ЯМР 13С олигосахаридов и целлюлозы с низкой СП в растворе [68].
С целью идентификации сигналов в спектрах ЯМР 13С целлюлоз различного происхождения был проведен сравнительный анализ с низкомолекулярными аналогами — глюкозой и целлобиозой [107], спектры которых соотносились со спектрами этих же соединений в твердом состоянии. Необходимо отметить некоторое различие в соответствующих хим. сдвигах в растворе [71] и твердой фазе, что объясняется наличием межмолекулярных водородных связей в твердом веществе. В работе авторы выдвигают предположение, что уширенные линии при 84 и 63 м.д. обусловлены молекулами поверхностных слоев фибрилл анализируемых целлюлоз, а узкие — при 90 и 66 м.д. к молекулам внутренних областей. Для подтверждении этого были изучены спектры ЯМР 13С нескольких нативных целлюлозных материалов, а также регенерированной целлюлозы I с низкой СП [108, 109]. Показано, что относительные интенсивности пиков в мультиплетах из узких линий, отвечающих цепям во внутренних областях кристаллитов, заметно различаются в разных образцах, т. е. нативные целлюлозы имеют преимущественно гетерогенную кристаллическую структуру. На основании анализа спектров высказана гипотеза о том, что все нативные целлюлозы представляют собой смеси двух кристаллических модификаций целлюлозы 1а. и /е. К сожалению, по данным ЯМР 13С невозможно на настоящем этапе определить конформацию цепей целлюлозы /а и хотя подобные попытки проводились [110, 111].
Основополагающим исследованием тонкой структуры целлюлозы является безусловно работа [112], в которой проведен сравнительный анализ спектров ЯМР 13С для образцов целлюлозы II с высоким значением ММ и полного набора твердых олигомеров целлюлозы от целлобиозы до целло-гексаозы. Показана полная адекватность спектров целлюлозы II со спектрами, приведенными в работах [106, 107] и подтверждено расщепление сигналов от атомов Ci и С4 целлюлозы II на два пика, что свидетельствует о неэквивалентности углеродных атомов внутри элементарной ячейки. Характерные особенности спектра ЯМР ,3С целлюлозы II проявляются уже в спектре твердой целлотетраозы и высших олигомеров. В своих более поздних работах исследователи [113] вернулись к предложенной модели существования двух независимых цепей и проводили сравнения во второй моделью, однако выбор между моделями был затруднен невозможностью получения монокристалла целлюлозы II. Спектры целлюлозы II, целло-триозы и целлотетраозы указывают на подобность спектра целлюлозы I, в частности сигнал при С4 в обоих веществах расщеплен, что свидетельствует об одинаковой кристаллической структуре. Кроме того, интенсивность двух пиков сигнала С, в спектрах целлотетраозы одинакова: равенство сохраняется при варьировании в широких пределах условий регистрации спектра, времени контакта спиновых систем 13С и 'Н и длительности цикла.
Привлекает внимание работа [114], посвященная изучению конфор-мации модельных соединений целлюлозы (олигосахаридов) кристаллов а- и [}-/)-глюкозы, а- и fl-галактозы, сахарозы, ряда других олиго- и моносахаридов, а также нативной и регенерированной целлюлозы. Проведено отнесение сигналов в спектрах указанных выше полисахаридов и подтверждено отнесение широких линий от С4 и С6 в целлюлозе к малоупоря-доченным областям нативных и регенерированных образцов, а в работе [115] проведен сравнительный анализ спектров этих же соединений в растворе. При идентификации хим. сдвигов атомов 13С использовали спектры для некоторых изотопомеров изучаемых веществ селективно меченных изотопом 13С, при этом сигналы ядер 13С, находящиеся в окружении меченого положения, не наблюдаются вследствие сильного гомоядерного диполь-дипольного взаимодействия. При переходе от твердого состояния в
растворенное наблюдается смещение резонансных сигналов ядер ,3С от С4 и Се на 2 м.д. в область высоких полей, и сдвиг сигнала С2 в спектре ЯМР 13С в область низких полей —1,8 м.д.), что связывается с изменением конформации глюкозидной связи. В работах [67, 116] детально изучен процесс мерсеризации целлюлозы и влияние различных факторов (концентрации NaOH, температуры ванны) на спектры ЯМР 13С. По данным авторов тормозящее влияние надмолекулярного порядка на образование щелочной целлюлозы проявляется лишь при концентрации NaOH <9%. Выше этой концентрации наблюдаются одинаковые изменения спектра, увеличивается относительная интенсивность неупорядоченных областей, и спектр похож на спектр аморфной целлюлозы.
Авторы работы [117] изучали спектры сульфатной целлюлозы. Спектры изученных образцов в основном сходны со спектрами целлюлозы, полученных по другим способам, однако в области сигналов атома Ci наблюдается расщепление на три сигнала из-за существования трех форм взаимного пространственного расположения соседних элементарных звеньев макромолекулы. Сигнал же С4 расщепляется на две резонансные линии: область целлюлозы с высокоупорядоченной и разупорядоченной структурой. Так как эти сигналы различаются по величине хим. сдвигов, авторы [118] используют это обстоятельство для определения степени кристалличности различных видов целлюлозы по формуле
AC=SJSK+St,
где SK, SB — площади сигналов от атомов С4 кристаллических и аморфных областей целлюлозы относительно базисной линии. Большим преимуществом предложенной методики является то, что метод ЯМР 13С дает возможность определять степень кристалличности целлюлозы в набухшем состоянии, что другими физическими методами пока сделать невозможно.
В обсуждаемых работах показаны потенциальные возможности ЯМР 13С высокого разрешения в твердой фазе для оценки полиморфности различных видов целлюлозы и чувствительность метода к тонким деталям кристаллической структуры целлюлозы, что позволяет по характерным значениям хим. сдвигов и мультиплетности пиков провести четкую идентификацию структурных модификаций целлюлозы I, II, III, IV и определение степени кристалличности.
Впервые к изучению механизма этерификации полисахаридов спектроскопия ЯМР 13С в твердой фазе была применена в работе авторов [87]. Были исследованы спектры нитратов целлюлозы I и ТАЦ. Пик С4 может быть использован для характеристики структурных изменений в реакции этерификации. Дальнейшей разработкой применения ЯМР )3С в твердой фазе для исследования НЦ занимались авторы работ [119—121], где показано, что если ЯМР 13С в растворе полезен для получения существенной информации о степени замещения в элементарном звене, то преимущества ЯМР i3C в твердой фазе проявляются в возможности контроля структурных изменений в процессе гетерогенной реакции нитрования целлюлозы. Проводится сравнение спектров в твердой фазе и в растворе, отмечена потеря разрешенное™ при переходе от ЯМР 13С раствора к твердому телу. Приоритет исследований, посвященных изучению динамики процесса нитрации целлюлозы от начальных стадий до завершения, принадлежит ряду авторов [122—125]. На примерах хлопковой и древесной целлюлозы им удалось выявить существование нескольких основных стадий структурных превращений этих полимеров (рис. 7). Установлено, что в начальных стадиях нитрации происходит постепенное уменьшение интенсивности сигнала в положении С6, его слабопольный сдвиг, что свидетельствует о первоначальном замещении ОН-групп у атома Св.
Вследствие этого происходит разрушение трехмерной кристаллической упорядоченности нативной хлопковой целлюлозы. При дальнейшем продолжении этерификации наблюдается сдвиг сигнала атома С( от 105 до 100,5 м. д., что свидетельствует о замещении у атома С2. Как показали проведенные исследования ЯМР 13С в твердой фазе, процесс изменения физической структуры целлюлозы в реакции этерификации можно подразде-
Рис. 7. Спектры ЯМР 13С в твердой фазе исходной хлопковой целлюло зы (1) и продуктов ее нитрации с содержанием азота 9 (2), 10 (3), 11,8 (4), 11,9 (5) и 12% (6), а также древесной целлюлозы (1) и ее нитратов 6,5 (2'), 8 (3'), 10,3 (4'), 11,7 (5') и 12% (6') [122]
лить на несколько ступеней: равномерная разупорядоченность вследствие избирательного замещения первичных ОН-групп (квазигомогенизация); реализация новой пространственной формы макромолекул (стадия взаимной упорядоченности звеньев — «скелетная» упорядоченность) и формирование конформационной структуры боковых групп (стадия взаимной упорядоченности заместителей). Эти стадии неразрывно связаны с химическими превращениями целлюлозы: первая — с замещением первичных гид-роксилов, вторая — с дальнейшим частичным, а третья — с полным замещением вторичных ОН-групп.
Динамика нитрации древесной целлюлозы несколько отличается от хлопковой. Стадия равномерной разупорядоченности развивается более медленно; характерный для нитратов сигнал около 100 м. д., обусловленный замещением у С2, наблюдается даже при сохранении части высоко-упорядоченных фракций исходной целлюлозы. Уменьшение интенсивности сигнала при 74,4 м. д. по сравнению с сигналом 72,2 м. д. дало основание авторам сделать вывод о преимущественном участии в реакции разупоря-доченных областей.
Определенный интерес представляет работа [126], в которой с помощью спектроскопии ЯМР 13С в твердой фазе исследовали нативную целлюлозу и ее ацетаты, полученные в гетерогенных условиях. Удалось выявить в
целлюлозе наличие малого кристаллографического эффекта, связанного с возможностью существования двух кристаллических форм 1а и /р [108, 109]. Предметом исследований в работе [35] явилось изучение методом ЯМР "С в твердой фазе КМЦ (^=0,55). Спектры ЯМР 13С в твердом состоянии позволяют с высокой точностью вычислить общую СЗ образца, однако для определения распределения заместителей при различных положениях углеродных атомов в элементарном звене разрешенность спектра оказывается недостаточной, и необходимо привлечение данных по ЯМР 13С-спектроскопии в растворе. В работе [127] методом ЯМР 13С в твердой фазе исследованы АЦ и их модельные соединения — 2,3-ДАЦ и 2,3-ДАМ, октаацетат а-целлобиозы и пентаацетат а-£)-глюкозы. При сопоставлении спектров 2,3-ДАЦ и 2,3-ДАМ отмечено, что в последнем пик при С1 расщепляется и уменьшается интенсивность спектральной линии, отнесенной к С4. Это свидетельствует о том, что 2,3-ДАМ обладает более высокой кристалличностью. Последнее подтверждается и рентгенографическими данными [ 28].
При сравнении данных, полученных химическим способом и ЯМР 13С в твердой фазе, а также методом ПМР и ЯМР ,3С в растворе [27], установлено, что результаты различных методов хорошо коррелируют между собой и подтверждают надежность оценки общей степени замещения ацетатов полисахаридов методом ЯМР 13С в твердой фазе.
Таким образом, метод ЯМР 13С в твердой фазе может быть использован для характеристики структурных изменений в процессе этерификации полисахаридов и для определения общей степени замещения, конформа-ционных свойств и общей упорядоченности исходных полисахаридов и синтезированных производных.
Автор благодарит Н. А. Платэ и Л. Б. Строганова за полезные советы, замечания и поддержку при написании данного обзора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Rowland S. P., Bullock A. L., Cirino V. О., Roberts Е. V., Hoinese D. Е., Wade С. Р., Вгоппап А. F., Joenssen Н. V., Pittman Р. F. //Text. Res. J. 1967. V. 37. № 12. P. 1020.
2. Sachse K., Methzner K., Welsch T. // Proc. 3 Danube Symp. Chromatogr. Siofok, 1981. S. 1.
3. Hamnäs O. // Acta Chem. Scand. 1973. V. 27. № 9. P. 3139.
4. Усов А. И., Кузнецова 3. Н., Архипова В. С. // Высокомолек. соед. Б. 1973. Т. 15. № 3. С. 147.
5. Casu В., Gallo G. G., Vigevani V. // Tetrahedron. 1966. V. 22. P. 3061. 1
6. Rao V. S. R., Foster F. J. // J. Phys. Chem. 1965. V. 69. № 2. P. 636.
7. Quigley G. J., Sarko A., Marchessault R. H.//J. Amer. Chem. Soc. 1970. V. 92. № ?0 P. 5834.
8. Glass C. A. // Canad. J. Chem. 1965. V. 43. № 10. P. 2652.
9. Каримова У. Г. Дис. ... канд. хим. наук. Ташкент: НИИХТЦ, 1988. 157 с.
10. Vicendon М. // Bull. Soc. chim. France. 1973. № 12. P. 3501.
11. Gielbert R. D, //Abstrs of Papers Presented 154 National Meeting Amer. Chem. Soc. Chicago, 1967. P. 147.
12. Forsen S. Ц Acta Chem. Scand. 1966. V. 20. № 10. P. 2763.
13. Hall L. D., Wolfrom M. L. // Advances Carbohyd. Chem. 1964. V. 19. P. 51.
14. Lemieux R. U., Stevens J. D.// Canad. J. Chem. 1966. V. 44. P. 249.
15. Horton D., Lauterback J. H.f/I. Organ. Chem. 1969. V. 34. № 1. P. 86.
16. Gagnaire D., Vincendon M. // Bull. Soc. chim. France. 1965. № 3. P. 472.
17. Danand J., Gagnaire D., Odier L., Vincendon M. Ц Organ. Magn. Res. 1972. V. 4. P. 523.
18. Gagnaire D., Odier L., Vincendon М.Ц1. Polymer Sei. С. 1969. V. 27. № 28. P. 27.
19. Friebolin H„ Keilich G., Siefert E. // Angew. Chemie. 1969. В. 81. № 20. S. 791.
20. Keilich G., Siefert E., Friebolin H. // Organ. Magn. Res. 1971. V. 3. № 1. P. 31.
21. Frank N., Keilich G., Siefert E. // Preprints Intern. Symp. Macromolec. V. 5. Sec. 4— 5. Helsinky, 1972.
22. Katsuyuki O., Hitochi SJ/J. Polymer Sei. Polymer Letters Ed. 1973. V. 11. № 6. P. 421.
23. Goodlett V. W., Dougherty J. Т., Patton H. W. 11 J. Polymer Sei. A-l. 1971. V. 9. № 1. P. 155.
24. Shiraishi N., Katayama Т., Yokota Т.Ц Cellulose Chem. Technol. 1978. V. 12. № 4. P. 429.
25. Wu Т. K. // Macromolecules. 1980. V. 13. № 1. P. 74.
26. Kamide К., Okajima К. // Polymer J. 1981. V. 13. № 2. P. 127.
27. Усманов Т. И., Сулейманова Р. Т., Каримова У. Г., Ташпулатов Ю. Т. // Высоко-молек. соед. А. 1986. Т. 28. № 7. С. 1490.
28. Сулейманова Р. Т. Дис. ... канд. хим. наук. Ташкент: НИИХТЦ, 1985. 159 с.
29. Усманов Т. IL, Усманов X. У., Сулейманова Р. Т. // Химия древесины. 1982. Л1*» 3. С. 7.
30. Rünbya В., Ridholm S. // Polymer Processes/Ed. by Schildknect С. E. N. Y„ 1956. 397 p.
31. Назарьина JI. А., Гальбрайх JI. С., Роговин 3. А., Жбанков Р. Г., Кулаков В. А., Фирсов С. П. /I Cellulose Chem. Technol. 1975. V. 9. № 5. P. 529.
32. Gagnaire D., Heran N., Le Fare R. // Bull. Soc. chim. France. 1970. № 12. P. 4236.
33. Sey Т., Ishitani K., Suzuki R., Ikematzu K. // Polymer J. 1985. V. 17. № 9. P. 1065.
34. Miymoto Т., Sato Y., Shibata Т., Inagaki H.//J. Polymer Sei. Polymer Chem. Ed. 1984. V. 22. № 10. P. 2363.
35. Talvitie A., Paasavirta J.// Finn. Chem. Letters. 1984. V. 24. № 1. P. 18.
36. Kimura K., Shigemura Т., Kybo M., Маги V. // Makromolek. Chem. 1985. B. 186. № 1. S. 61.
37. Lee D.-S., Perlin A. // Carbohydr. Res. 1982. V. 106. № 1. P. 1.
38. Dorman D. E., Angual S. J., Robert J. D./l Amer. Chem. Soc. 1970. V, 92. № 5. P. 1351.
39. Brietmaier E., Woelter W., Tänzee С., Yung G.//Chem. Ber. 1971. V. 104. P. 1147.
40. Woelter W., Briemaier E., Yung G.// Angew. Chemie. 1971. В. 10. № 12. S. 1011.
41. Doddrell D„ Allerband А. // Amer. Chem. Soc. 1971. V. 93. № 1. P. 2781.
42. Yamaoka N., Usui Т., Matsuda K., Tuzimara K., Sugiyama H. // Tetrahedron Letters. 1971. № 23. P. 2047.
43. Binkley W. W., Horton D., Bhacca N. S., Wander J. D. // Carbohydr. Res. 1972. V. 23. № 2. P. 301.
44. Begue J. P. // Bull. Soc. chem. France. 1972. № 5. P. 2073.
45. Von Ammon R., Fisher R. D. // Angew. Chemie. 1972. В. И. № 8. S. 737.
46. Christil M„ Reich Н. J., Robert J. D./l J. Amer. Chem. Soc. 1971. V. 93. № 14. P. 3463.
47. Morris J. A., Hall L. D. // Amer. Chem. Soc. 1981. V. 103. № 18. P. 4703.
48. Morris J. A., Hall L. D. //Canad. J. Chem. 1982. V. 60. P. 2431.
49. Gorin P. A. J. II Advances Carbohydr. Chem. and Biochem. 1981. V. 38. P. 12.
50. Perlin A. S., Casu В. // Tetrahedron Letters. 1969. № 34. P. 2921.
51. Perlin A. S., Casu В., Koch H. /.//Canad. J. Chem. 1970. V. 48. Ks 16. P. 2596.
52. Dorman D. E., Roberts J. D.//3. Amer. Chem. Soc. 1971. V. 93. № 18. P. 4463. 53. Dorman D. E., Roberts J. D. Ц J. Amer. Chem. Soc. 1970. V. 92. № 5. P. 1355.
54. Gorin P. A. J., Mazurek M. 11 Canad. J. Chem. 1975. V. 53. № 8. P. 1212.
55. Gorin P. A. }., Mazurek M. II Carbohydr. Res. 1976. V. 48. № 2. P. 171.
56. Walker Т. E., London R. E., Whaley G., Barker R., Matwiyoff S. Ц J. Amer. Chem. Soc. 1976. V. 98. № 19. P. 5807.
57. Usui В. Т., Yamaoka N., Matsuda K., Tuzimura К.Ц1. Chem. Soc. Perkin Trans. I. 1973. JV» 17. P. 2425.
58. Hamer G. K., Balza F., Cyr М.Ц Canad. J. Chem. 1978. V. 56. № 18. P. 3109.
59. Gagnaire D., Vincendon M. // Bull. Soc. chim. France. 1977. № 5/6. P. 479.
60. Gagnaire D., Mancier D., Vincendon M. 11 Organ. Magn. Res. 1978. V. 11. № 7. P. 344.
61. Pfeffer P. E., Parris F. W., Unruh J. // Carbohydr. Res. 1980. V. 84. № 1. P. 13.
62. Pfeffer P. E., Valentine К. M., Parrish F. W. II J. Amer. Chem. Soc. 1979. V. 101. № 5 P 1265.
63. Усов Ä. И. il Botanika Marina. 1984. V. 27. P. 189.
64. Perlin A., Casu B. // Polysacharides. 1982. V. 1. P. 133.
65. Gast J. C., Atalla R. H., McKelvey R. D. II Carbohydr. Res. 1980. V. 84. № 1. P. 137.
66. Friebolin H., Frank N., Keilich G. // Makromolek. Chem. 1976. B. 177. № 3. S. 845.
67. Philipp В., Kunze Л, Nehls /.//Papier. 1982. № 12. S. 571.
68. Gagnaire D., Mancier D., Vincendon M. //Polymer Sei. Polymer Chem. Ed. 1980. V. 18. № 1. P. 13.
69. Gagnaire D., Taravel F. R., Vignon M. R. // Carbohydr. Res. 1976. V. 51. № 2. P. 145.
70. Heydraud A., Rinaudo M., Vignon M. R./l Biopolymer. 1979. V. 18. P. 167.
71. Capon В., Rycroft D. S., Thomson 1. W. II Carbohydr. Res. 1979. V. 70. № 1. P. 145.
72. Karacsonyi S., Alföldi ]., Kubackova H., Stupka ¿.//Cellulose Chem. Technol. 1983. V. 17. № 6. P. 637.
73. Усманов Т. И., Сулейманова Р. Т., Каримова У. Г., Ташпулатов Ю. Т. // Химия древесины. 1987. № 5. С. 81.
74. Фаррар Т. С., Веккер Э. Д. Импульсная и фурье-спектроскопия ЯМР. М., 1973. 89 с.
75. Усманов Т. И., Сулейманова Р. Т., Беренштейн Е. И., Рахманбердыев Г., Айхо-джаев Б. И., Ташпулатов Ю. Т. Ц Химия древесины. 1987. № 4. С. 31.
76. Inoue J., Chujo R. 11 Carbohydr. Res. 1978. V. 60. № 2. P. 367.
77. Shashkov A. S., Sviridov A. F., Chizhov O. S., Kovai P. // Carbohydr. Res. 1978. V. 62. № i. P. 11.
78. Lee E. E., Wood J. 0. // Carbohydr. Res. 1981. V. 89. № 2. P. 329.
79. Каримова У. Г., Усманов Т. И. // Тез. докл. Всесоюз. совещ. «Микрокристаллическая и порошковая целлюлоза, получение и области использования». Ташкент, 1986. С. 26.
80. Friebolin Н., Keilich G., Frank М., Dabronski U., Siefer E. // Organ. Magn. Res. 1970. V. 12. № 4. P. 212.
'81. Paasavirla J., Talvltie A. 11 Reports Phys. Chem. Univ. Turku. 1981. № 1. P. 15.
82. Talvitie A., Paasavirta /.//Depart. Chem. Univ. Juväskylä. Research Report. 1982. № 14. P. 15.
83. Demember J. C., Taylor L. D., Trümmer S., Rubin L. E., Chiklis C. K./IJ. Appl. Polymer. Sei. 1977. V. 21. P. 621.
84. Parfondry A., Perlin A. S. // Carbohydr. Res. 1977. V. 57. № 1. P. 39.
~85. Панов В. П., Спичак В. Д., Дубина В. П. // Высокомолек. соед. А. 1981. Т. 23. № 2. С. 412.
86. Clark D. Т., Stephenson P. /.//Polymer. 1981. V. 22. Р. 1112.
87. Clark D. Т., Fowler А. Н. К., Stephenson P. J. // Macromolec. Chem. Phys. 1983. С. 23. № 2. P. 217.
88. Рыжова Г. Л., Новикова Н. В. Ц Высокомолек. соед. А. 1985. Т. 27. № 7. С. 1555.
89. Усманов Т. И., Каримова У. Г., Сулейманова Р. Т., Ташпулатов Ю. Т.Ц Высокомолек. соед. А. 1987. Т. 29. № 5. С. 1111.
90. Азанчеев Н. М., Сергеев Е. П., Коваленко В. И.Ц Тез. докл. XXII Всесоюз. конф. по высокомолек. соед. Алма-Ата, 1985. С. 105.
91. Азанчеев Н. М., Сергеев Е. Н., Сопин В. Ф. // Высокомолек. соед. А. 1987. Т. 29. № 5. С. 1001.
"92. Хеберлен У., Меринг М, ЯМР высокого разрешения в твердых телах. М., 1980. 504 с.
93. Fyfe С. А. // Solid State NMR for Chemistry. Guelph, 1984. 580 p.
94. Bovey F. A.11 Polymer Engng Sei. 1986. V. 26. № 20. P. 1419.
'95. Roth H.-K., Keller F., Schneider H. Hochfeguenzspektroscopie in der polymerfor-schung. Berlin, 1984. 380 S.
96. Murata S., Noyori R. // Tetrahedron Letters. 1980. V. 21. № 8. P. 767.
97. Schröter В., Posern A. // Makromolek. Chem. 1981. B. 182. № 2. S. 675.
98. Schöter В., Hörhold H.-H., Paabe D. // Makromolek. Chem. 1981. B. 182. № 2. S. 3185.
99. Horri F., Hirai A., Murayama R., Kita таги R. // Macromolecules. 1983. V. 16. № 2. P. 273.
100. Jelinski L. W., Dumais J. J., Watnick P. /.// J. Polymer Sei. Polymer Chem. Ed.
1982. V. 20. № 12. P. 3285.
101. Bovey F. A., Cais R. E. //Polymer Charact. Spectrosc. Chromatogr. and Phys. Instrum. Meth. Symp. 181 Meet. Washington, 1983. P. 421.
102. Sekigushi I., Frye L. S., Shafizaden F. HL Appl. Polymer Sei. 1983. V. 28. № 11.
p 35i3_
103. Ferasimovicz W. V., Hicks К. В., Pfeffer P. E. // Macromolecules. 1984. V. 17. № 12. P. 2597.
104. Савицкая Т. А., Гриншпан Д. Д., Капуцкий Ф. Н., Жбанков Р. Г., Липпмаа Э. Т., Тэзяэр Р. 9. /I Химия древесины. 1985. № 6. С. 84.
105. Слоним И, Я., Аршава Б. М. //Итоги науки и техники. Химия и технология высокомолекулярных соединений. Т. 23. М., 1987. С. 101.
106. Atalla R. Н., Gast I. С., Bartuska V. S., Sindorf D. W., Maciel G. E. // J. Amer. Chem. Soc. 1980. V. 102. № 9. P. 3249.
107. Eearl W. L., Vander Hart D. L. // J. Amer. Chem. Soc. 1980. V. 102. № 9. P. 3251.
108. Eearl W. L., Vander Hart D. L. // Macromolecules. 1981. V. 14. № 3. P. 570.
109. Vander Hart D. L., Atalla R. H. // Macromolecules. 1984. V. 17. № 8. P. 1465.
110. Horii F., Hirai A., Kitamaru R.//J. Carbohydr. Chem. 1984. V. 3. № 4. P. 641.
111. Horii F., Hirai A., Kitamaru R- //Polymer Fifer and Elastomers. Symp. 186 Meet. Washington, 1984. P. 27.
112. Dudley R. L., Fyfe C. A., Stephenson P. ]., Deslandes V., Hamer G. К.Ц J. Amer. Chem. Soc. 1983. V. 105. № 8. P. 2469.
113. Fyfe C. A., Stephenson P. J., Veregin R. Т., Hamer G. K., Marchessault R. Н.Ц J. Carbohydr. Chem. 1984. V. 3. № 4. P. 663.
114. Horii F., Hirai A., Kitamaru R. II Polymer Bull. 1983. № 7/8. P. 357.
115. Pfeffer P. E., Hicks К. В., Frey M. H., O. Stanley L, Eearl W. L. II J. Carbohydr. Chem. 1984. V. 3. № 2. P. 197.
116. Kunze ]., Ebert A., Schrötee В., Frigge K., Philipp B. // Polymer Bull. 1981. V. 5. № 7. P. 399.
117. Лундин А. Г., Пен P. 3., Филатова В. Т., Шапиро И. Л. // Высокомолек. соед. В. 1986. Т. 28. № 11. С. 807.
118. Жбанков Р. Г., Иоелович М. Я., Трейманис А. П., Липпмаа Э. Т., Тээяэр Р. д., Капуцкий Ф. П., Гриншпан Д. Д., Лущик Л. Г. Ц Химия древесины. 1986. № 4. С. 3.
119. Clark D. Т., Stephenson P. J. //Polymer J. 1982. V. 23. P. 1295.
120. Fife С. A., Dudley К. L., Stephenson P. S., Deslandes Y., Hamer G. K., Marchessault R. H. И Macromolec. Chem. Phys. 1983. V. 23. № 2. P. 187.
121. Wasylishen R. E., Fyte C. A. // Ann. Repr. NMR Spectroscopy. 1982. V. 12. P. 39.
122. Тээяэр P. Э., Липпмаа Э. Т., Жбанков P. Г., Пупко О. А., Шипина О. Т., Марченко Г. Н., Забелин Л. В.Ц Высокомолек. соед. Б. 1984. Т. 26. № 11. С. 841.
123. Teeaat R., Lippmaa Е.Ц Polymer Bull. 1984. V. 12. № 4. P. 315.
124. Жбанков P. Г., Пупко О. А., Липпмаа Э. Т., Шипина О. Т., Марченко Г. Н., Забелин Л. В. // Высокомолек. соед. В. 1984. Т. 26. № 1. С. 39.
125. Тээяэр Р. Э., Жбанков Р. Г., Шипина О. Т., Марченко Г. Н„ Забелин Л. В.Ц Журн. прикл. спектроскопии. 1986. Т. 45. № 4. С. 535.
126. Doyle S., Petrick R. A., Harris R. K., Lane J. M., Packer K. J., Heatley F. // Polymer. 1986. V. 27. № 1. P. 19.
127. Каримова У. Г.. Усманов Т. И.. Сулейманова Р. Т., Жбанков Р. Г., Тзэязр Р. Э., , Ташпулатов Ю. Т. Ц Высокомолек. соед. А. 1989. Т. 31. № 10. С. 2056.
Научно-исследовательский институт химии и технологии хлопковой целлюлозы
Т. I. Usmanov
NMR SPECTROSCOPY OF POLYSACCHARIDES DERIVATIVES AND THEIR MOLECULAR STRUCTURE
Summary
Results of experimental evaluations of reactivity of hydroxyl groups and of the structure of products of chemical reactions of polysaccharides using the high-resolution NMR spectroscopy of various types ('II and i3C NMR in solution and 13C NMR in the solid phase) are generalized. The main attention is paid to problems of obtaining of the quantitative information about the distribution of substituents in the elementary unit, of design of methodological approaches to identification of NMR spectra of polysaccharides esters and ethers on the basis of model compounds, low-molecular analogs and blocation of free hydroxyl groups with deuterated reactants. The advantages of evaluation of siructural changes in the course of esterification of polysaccharides by the solid-phase NMR method are discussed.
